第九章生物碱
第一节概述
生物碱是一类重要的天然含氮类化合物。
1．定义：生物碱是指一类来源于生物界（以植物为主）的含氮的有机物，多数生物碱分子具有较复杂的环状结构，且氮原子在环状结构内，大多呈碱性，一般具有生物活性。
含氮的有机化合物有很多，但低分子胺类（如甲胺、乙胺等）、非环甜菜因类、氨基酸、氨基糖、肽类（肽类生物碱除外）、蛋白质、核酸、核苷酸、卟啉类、维生素类等。
比较确切的表述：生物碱是含负氧化态氮原子、存在于生物体中的环状化合物。
负氧化态氮：包括胺（-3）、氮氧化物（-1）、酰胺（-3）；排除含硝基（+3）、亚硝基（+1）的化合物。
环状结构：排除了小分子的胺类、非环的多胺和酰胺。（实际上有些非环的胺类或酰胺是属于生物碱范畴的，如麻黄碱）
2．分布：
低等植物（蕨类、菌类）、高等植物（单子叶植物、双子叶植物）；
同科同属植物可能含有相同结构类型的生物碱；
在植物体内各个器官和组织都可能有分布，但对于一种植物来说，生物碱往往在植物的某种器官含量较高。
3．存在形式：
（1）根据氮原子在分子中所处的状态，主要分为六类：①游离碱②盐类③酰胺类④N-氧化物⑤氮杂缩醛类⑥其它如亚胺、烯胺等。
在植物体内，除以酰胺形式存在的生物碱外，少数碱性极弱的生物碱以游离的形式存在，绝大多数以盐的形式存在；个别生物碱则以氮氧化物的形式存在，如氧化苦参碱。
第二节生物碱生物合成的基本原理
（一）环合反应
1．一级反环合应
（1）内酰胺形式：该反应主要限于肽类生物碱等的生物合成。
（2）希夫碱形式：含氨基（伯胺或仲胺）和羰基的化合物易加成-脱水形成希夫碱。
（3）曼尼希氨甲基化反应：醛、胺（一级胺或二级胺或氨）和负碳离子（含活泼氢的化合物）发生缩合反应，结果是活泼氢被氨甲基所取代，得到曼尼希碱。
（4）加成反应：所谓加成反应是特指一亲核氨基与芳香或醌类体系中亲电中心的加成反应。综上所述，氨基和羰基反应体是生物碱生物合成中最重要的形成N-杂环体系的前体物。这中间希夫碱形成和曼尼希缩合所需的醛类以及酶的催化作用则是关键因素。
2．次级环化反应：
最重要的次级环化反应是氧化偶联；其次是亚胺盐的次级环合反应也比较重要。
（1）酚氧化偶联：酚氧化偶联的大致过程可归纳为：酚自由基形成?自由基偶联?再芳香化。1）酚自由基形成
2）自由基偶联
3）再芳香化
①烯醇化-再芳香化
②C-C键迁移-再芳香化
③C-C键裂解-再芳香化
（2）亚胺盐次级环合反应
（二）C-N键的裂解
1．内酰胺开环
最简单的Ｃ－Ｎ键裂解是内酰胺开环反应。在某些情况下，仲胺可通过氧化转化成内酰胺，再进行Ｃ－Ｎ键的裂解。
2．Hofmann降解和von Braun降解
这是生物碱的两个降解反应。在生物体内同样可以化学上等价地进行这两种反应。
第三节生物碱的分类、生源关系及其分布
生物碱的分类主要有三种方法：
（1）来源分类
（2）化学分类（主要介绍）
（3）生源结合化学分类
第四节生物碱的理化性质
（一）性状
1．形态：多数生物碱呈结晶形固体，有些为非晶形粉末状；少数生物碱为液体状态，这类生物碱分子中多无氧原子，或氧原子结合为酯键，个别生物碱具有挥发性，如麻黄碱；极少数生物碱具有升华性，如咖啡因。
2．味道：大多数生物碱具苦味，少数生物碱具有其它味道，如甜菜碱为甜味。
3．颜色：绝大多数生物碱无色，仅少数具有较长共轭体系结构的生物碱呈不同的颜色。如小檗碱和蛇根碱显黄色，小檗红碱显红色。
（二）旋光性
凡是具有手性碳原子或本身为手性分子的生物碱，则具有旋光性。反之则无，如小檗碱没有旋光性。
生物碱的旋光性受溶剂、pH等因素的影响。如麻黄碱在氯仿中呈左旋光性，而在水中则呈右旋光性；烟碱在中性条件下呈左旋光性，而在酸性条件下则呈右旋光性；有的生物碱游离状态与其成盐状态的旋光性也有不同，如长春碱游离时为右旋光性，其硫酸盐为左旋光性。生物碱的生理活性与其旋光性有关。通常左旋体的生理活性比右旋体强，如乌头中存在的左旋去甲乌头碱具有强心作用，但存在于其它植物中右旋去甲乌头碱则无强心作用。又如左旋莨菪碱的扩瞳作用较右旋体强100倍等。也有少数生物碱右旋体的生理活性较左旋体强，如右旋古柯碱的局部麻醉作用强于左旋体古柯碱。
（三）溶解性
生物碱类成分的结构复杂，其溶解性有很大差异，与其分子中N原子的存在形式、极性基团的有无、数目以及溶剂等密切相关。可分为以下几种情况。
1．亲脂性生物碱的溶解性
这类生物碱的数目较多，绝大多数叔胺碱和仲胺碱属于亲脂性生物碱。
（1）游离生物碱
易溶于乙醚、苯、卤代烷类等亲脂性有机溶剂，尤其在氯仿中的溶解度较大；可溶于甲醇、乙醇、丙酮、醋酸乙酯等有机溶剂；难溶或不溶于水。
（2）生物碱盐
易溶于水，其无机盐在水中的溶解度大于有机酸盐；可溶于甲醇、乙醇；难溶或不溶于亲脂性有机溶剂。
少数生物碱盐的溶解性不符合一般规律。如奎宁、奎宁尼丁、辛可宁、吐根酚碱等生物碱的盐酸盐可溶于氯仿，麻黄碱草酸盐难溶于水。
2．亲水性生物碱的溶解性
水溶性生物碱数目较少，主要指季胺碱型生物碱，也包括一些分子量较小的叔胺碱或仲胺碱。
（1）季胺型生物碱
这类生物碱易溶于水、酸水和碱水，可溶于甲醇、乙醇、正丁醇等极性大的有机溶剂，难溶或不溶于乙酸乙酯、乙醚、氯仿等低极性的有机溶剂。
（2）小分子生物碱
少数分子量较小的叔胺或仲胺生物碱既可溶于水，也可溶于氯仿。这类生物碱包括麻黄碱、苦参碱、秋水仙碱等。
3．具有特殊官能团的生物碱的溶解性
（1）具有酚羟基（或羧基）的生物碱
这类生物碱称为两性生物碱，如吗啡、青藤碱等。除具有一般叔胺碱的溶解性能外，由于其结构中连有弱酸性官能团，也可溶于苛性碱溶液。
（2）具内酯（或内酰胺）结构生物碱的溶解性
这类生物碱如喜树碱、那可汀碱等在正常情况下，其溶解度类似一般叔胺碱。但在热水溶液中，其内酯（内酰胺）结构可开环形成羧酸盐而溶于水。
（四）生物碱的检识
在生物碱的预试、提取、分离和结构鉴定中，常常需要一种简便的检识方法。最常用的是生物碱的沉淀反应和显色反应。
1．生物碱的沉淀反应：
生物碱的沉淀反应是利用大多数生物碱在酸性条件下，与某些沉淀剂反应生成弱酸不溶性复盐或络合物沉淀。
（1）生物碱沉淀试剂的种类
试剂类型试剂名称组成反应特征
碘化物复盐类碘-碘化钾试剂KI·I2红棕色沉淀碘化汞钾试剂K2HgI4类白色沉淀碘化铋钾试剂KBiI4黄至橘红色沉淀
重金属盐类硅乌酸试剂SiO2·12WO3·nH2O 淡黄或灰白色沉淀磷钼酸试剂H3PO4·12MO3·2H2O 白色或黄褐色沉淀磷钨酸试剂H3PO4·12WO3·2H2O 白色或黄褐色沉淀
大分子酸类
苦味酸试剂苦味酸黄色结晶
苦酮酸试剂苦酮酸黄色结晶其它雷氏铵盐试剂NH4[Cr(NH3)2(SCN)4] 红色沉淀或结晶
（2）沉淀反应的条件
1）反应环境：
生物碱沉淀反应一般在稀酸水溶液中进行。这是由于生物碱与酸成盐易溶于水，生物碱沉淀试剂也易溶于水，且在酸水中较稳定，而反应产物难溶于水，因而有利于反应的进行和反应的进行和反应结果的观察。
2）净化处理：
生物碱的酸水提取液通常含有蛋白质、多肽、鞣质等成分，这些物质也能与生物碱沉淀试剂发生沉淀反应。为了避免其干扰，可将酸水也碱化后，用氯仿萃取，除去水溶性干扰成分，然后用酸水从氯仿中萃取出生物碱，以此酸水液进行沉淀反应。
（3）生物碱沉淀反应阳性结果的判断
1）阳性结果的判断：
为了检识的准确性，一般选用三种以上的沉淀试剂进行反应，如果均有生物碱的沉淀反应，可判断为阳性结果。
2）需要注意的问题
①极少数生物碱不能与一般生物碱沉淀试剂产生反应。如麻黄碱、咖啡碱与多数生物碱沉淀试剂不能发生反应，因而只能用其它检识反应鉴别；
②中药中有些非生物碱类物质也能与生物碱沉淀试剂产生沉淀反应，如蛋白质、多糖、氨基酸、鞣质等。因此制备共试品溶液时，需要净化处理除去这些物质，避免其干扰而导致错误的结论。
（4）生物碱沉淀反应的应用
①检识反应
②指导生物碱的提取分离
③生物碱的分离纯化
④薄层或纸层色谱的显色剂
2．显色反应
某些生物碱单体能与一些以无机酸为主的试剂反应生成具有颜色的产物，不同的生物碱产生不同的特征颜色，这种试剂称为生物碱的显色试剂。
（1）生物碱显色试剂的种类：
试剂名称试剂组成颜色特征
Macquis试剂含少量甲醛的浓硫酸吗啡紫红色
Frohde试剂1%钼酸钠（铵）的浓硫酸溶液小檗碱棕绿色
Mandelin试剂1%钒酸铵的浓硫酸溶液莨菪碱红色
（2）显色反应的应用：
在研究过程中应用不广泛，但对检识和分析个别生物碱仍有一定的参考价值。
①生物碱的检识
②生物碱的含量测定
（五）生物碱的化学性质和反应
生物碱的化学性质和反应十分丰富，本节仅选择与氮原子有关的重要而共同的化学性质与反应：碱性、成盐、涉及氮原子的氧化和C-N键裂解，加以讨论。
1．碱性：
（1）碱性的产生及其强度表示：
生物碱分子中都含有氮原子，其氮原子上的孤电子对能接受质子而显碱性。碱性是生物碱的重要性质。通常以酸式离解指数pKa表示。
碱性强度与pKa值关系：
pKa<2（极弱碱）、pKa 2~7（弱碱）、pKa 7~12（中强碱）、pKa> 12（强碱）。
碱性基团的pKa值大小顺序一般是：
胍基>季胺碱(pKa> 11)>脂胺类，脂氮杂环类（pKa 8~11）>芳胺类，芳氮杂环类（pKa 3~7）>两个以上的氮杂环类（pKa <3）> 酰胺基（中性）。
（2）碱性与分子结构的关系：生物碱的碱性强弱与氮原子的杂化度、诱导效应、诱导-场效应、共轭效应、空间效应以及分子内氢键形成等有关。
1）氮原子的杂化度：生物碱分子中氮原子孤电子对处于杂化轨道中，其碱性强度随杂化度升高而增强，即sp3>sp2>sp。
2）诱导效应：生物碱分子中氮原子上电荷密度受到分子中供电基（如烷基等）和吸电基（如芳环、酰基、醚键、双键、羟基等）诱导效应的影响。供电基使电荷密度增多，碱性变强；吸电基则降低电荷密度，
如：碱性强弱次序是：二甲胺（pKa10.70）> 甲胺（pKa10.64）> 氨（pKa9.75）(显然，甲基的供电性使二甲胺碱性稍强些)。
3）诱导-场效应：生物碱分子中同时含有两个氮原子时，即使其处境完全相同，碱度总是有差异的。一旦第一个氮原子质子化后，就产生一个强的吸电基团—+NHR2。此时，它对第
二个氮原子产生两种碱性降低效应：诱导效应和静电效应。前者通过碳链传递，且随碳链增长而渐降低。后者则通过空间直接作用，故又称为直接效应。二者可统称为诱导-场效应。
若此时强的吸电基和第二个氮原子在空间上接近时，则直接效应对其碱度的影响就更显著。若空间上相距较远，彼此受诱导-场效应的影响较小。
4）共轭效应：若生物碱分子中氮原子孤电子对成p-p共轭体系时，通常情况下，其碱性较弱。生物碱中常见的p-p共轭效应主要有三种类型：苯胺型、烯胺型和酰胺型。
①苯胺型：苯胺氮原子上孤电子对与苯环p-电子成p-p共轭体系，碱性（pKa 4.58）比相应的环己胺（pKa 10.14）弱的多。
②烯胺型：通常烯胺化合物存在以下平衡：
③酰胺型：若氮原子处于酰胺结构中，由于氮原子孤电子对与酰胺羰基的p-p共轭效应，其碱性很弱。
注意：氮孤电子对和共轭体系中p电子产生p-p共轭的立体条件必须是二者的p-电子轴共平面。否则，这种共轭效应减弱或消失，都将使碱性增强。
5）空间效应：尽管质子的体积较小，但生物氮原子质子化时，仍受到空间效应的影响，使其碱性增强或减弱。
6）分子内氢键形成：分子内氢键形成对生物碱碱性强度的影响颇为显著。
对具体化合物，上述几种影响生物碱碱性强度的因素，必须综合考察。一般来说，空间效应和诱导效应共存时，前者居于主导地位。诱导效应和共轭效应共存时，往往后者的影响为大。此外，除分子结构本身影响生物碱的碱性强度外，外界因素如溶剂、温度等也可影响其碱性强度。
2．成盐
绝大多数生物碱可与酸形成盐类。对质子化来说，仲胺、叔胺生物碱成盐时，质子多结合于氮原子上。但是，对以季胺碱、氮杂缩醛、烯胺以及具有涉及氮原子的跨环效应形式存在的生物碱，质子化则往往并非发生在氮原子上。
（1）季胺生物碱成盐：季胺生物碱与酸成盐时，质子与OH-结合成水。
通常，盐类与碱又复成季胺碱，但对以亚胺盐形式如小檗碱类和苯菲啶类等形式存在的季铵盐，其在酸碱溶液中存在的形式比较特殊：在碱水溶液中，以氮杂缩醛形式存在。在酸性溶液中，则以季铵盐的形式为主。
（2）含氮杂缩醛生物碱的成盐：
这类生物碱与酸作用成亚胺盐，质子与烷氧基结合成醇或水。
（3）涉及氮原子跨环效应生物碱的成盐：若生物碱分子中氮孤电子对空间上靠近酮基时，则多产生跨环效应，导致许多理化性质的变化。这类生物碱与酸成盐时，质子化发生在酮基上，且伴随着C—N键的形成。
（4）具有烯胺结构生物碱的成盐：此类生物碱质子化多在b-碳上，而非氮原子。
3．涉及氮原子的氧化
许多生物碱在氧化剂作用下，被氧化成亚胺及其盐类，去N-烷基、酰胺（甲酰胺、乙酰胺、内酰胺）化、氮杂缩醛以及氮氧化物等。除N-氧化物外，这些反应绝大多数都是经过中间体亚胺盐离子进行，故统称为涉及氮原子的氧化。同样的这些反应也受到立体条件的限制。
4．C-N键的裂解反应：
生物碱分子中C-N键的裂解是非常重要的化学反应，其裂解方法主要有：霍夫曼降解、Emde降解和von Braun三级胺降解。
第五节生物碱的提取与分离
（一）总生物碱的提取
总生物碱的提取方法有：溶剂法、离子交换法、沉淀法、醇类溶剂提取法、与水不相混溶的有机溶剂提取法。
1．溶剂法
（1）水或酸水-有机溶剂提取法：
（2）醇-酸水-有机溶剂提取法：
（3）碱化-有机溶剂提取法：
（4）其他溶剂法：
酸水提取法此法缺点：提取液体积较大（浓缩困难）
提取液中水溶性杂质多
解决方法：(1)离子交换树脂法
(2)沉淀法
2．离子交换树脂法
将酸水液与阳离子交换树脂（多用磺酸型）进行交换，以与非生物碱成分分离。
3．沉淀法
①酸提碱沉法：适用于碱性弱的生物碱。
②盐析法：适用于中等及弱碱性生物碱。
碱化至pH=9；加NaCl达饱和
③雷氏铵盐沉淀法：适用于季铵盐。
季胺生物碱因易溶于碱水中，除离子交换树脂法外，往往难于用一般溶剂将其提取出来。此时常采用沉淀法进行提取。以雷氏铵盐
4．醇类溶剂提取法
5．与水不相混溶的有机溶剂提取法
（二）生物碱的分离
分离程序一般有系统分离与特定生物碱的分离。
（1）系统分离：通常采用总碱类别或部位单体生物碱的分离程序。常用于基础性的研究。（2）特定生物碱的分离：
特定生物碱的分离是基于对欲分离的生物碱的结构、理化特性的充分理解。许多药用生物碱
的生产都属于这种分离。
（3）利用生物碱的碱性差异进行分离。
（4）利用生物碱及其盐溶解度的差异进行分离。
（5）色谱法。
第六节生物碱的鉴定
（1）色谱法：:测定理化常数（如：熔点），与文献报道的数据进行对照，与对照品共薄层，测定其衍生物的理化数据等。
色谱法有：1.薄层色谱法；2.纸色谱法。
（2）谱学法
紫外光谱（UV）——反映分子中所含共轭系统情况；
红外光谱（IR）——利用特征吸收峰，鉴定结构中主要官能团；
质谱（NMR）——各种技术图谱测定结构；
核磁共振（MS）——依据文献，结合主要生物碱类型的质谱特征进行解析。
生物碱MS的一般规律：
1.难于裂解或由取代基或侧链的裂解产生特征离子。
特点：M+或M+-1多为基峰或强峰。
一般观察不到由骨架裂解产生的特征离子。
主要包括两大类：
①芳香体系组成分子的整体或主体结构；如喹啉类、吖啶酮类等
②具有环系多、分子结构紧密的生物碱；如苦参碱类、秋水仙碱类等
2. 主要裂解受氮原子支配
主要裂解方式是以氮原子为中心的α-裂解，且多涉及骨架的裂解。
特征：基峰或强峰多是含氮的基团或部分。
主要生物碱类型：金鸡宁类、甾体生物碱类等
3. 主要由RDA裂解产生的特征离子
特点：裂解后产生一对强的互补离子，由此可确定环上取代基的性质和数目。
主要有：四氢原小檗碱类、无N-烷基取代的阿朴菲类等。
四氢原小檗碱类型的生物碱，主要从Ｃ环裂解，发生逆Diels-Alder反应(RDA反应)。如：轮环藤酚碱（cyclanoline）的裂解过程表示如下：
4. 主要由苄基裂解产生特征离子
特点：同3。即裂解后产生一对强的互补离子。如：苄基四氢异喹啉类、双苄基四氢异喹啉类等。
如异喹啉类型中的1-苯甲基-四氢异喹啉类型的生物碱，其在裂解过程中易失去苯甲基，得到以四氢异喹啉碎片为主的强谱线。
第七节常见的生物碱
